ОБЩЕЕ СВЕДЕНИЕ О РЕНТГЕНОВСКОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТОМОГРАФИИ

THE TOTAL REDUCTION OF THE X – RAY COMUTED TOMOGRAPHY

Sergei Osipov

candidate of Technical Sciences, head of the laboratory of technical tomography and imaging of institute of non–destructive testing of Tomsk polytechnic university,

Russia, Tomsk

Trinh Van Bac

postgraduate of institute of non–destructive testing of Tomsk polytechnic university,

Russia, Tomsk

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассмотрены история развития и обзор рынка компьютерной томографии (КТ). Проанализированы виды и характеристики КТ системы. Обсужден технический прогресс в этой отрасли. Вводятся индустриальные применения КТ и её нерешенные проблемы. На основе анализа автором преимуществ и недостатков технологии КТ и изучения нерешенных проблем предлагаются мероприятия, которые призваны повысить потребительские характеристики компьютерной томографии.

ABSTRACT

This article describes the history of the development and review of market for computed tomography (CT). It is analyzed types and characteristics of the CT system. Technological advances in this industry is discussed and it is introduced industrial application of CT and its unsolved problems. On the basis of the author of the advantages and disadvantages of CT technology and studying of unsolved problems include activities that are designed to improve the consumer characteristics of computed tomography.

Ключевые слова: Рентгеновские проекции, реконструкция, сканированиe, рентгеновский сканер, томограф, визуализация.

Keywords: X–ray projection, reconstruction, scanning, X–ray scanner, tomography, visualization.

1. Краткая история развития компьютерной томографии

Открытие рентгеновских лучей в 1895 было признано и принято в качестве нового метода медицинской и промышленной диагностики. Рентгенография совершенствовалась эволюционным путем все последующие 120 лет после открытия Рентгена, связанным с развитием источников и регистраторов рентгеновского излучения, что привело к широкому использованию рентгеновского излучения в технике.

В 1971 году был разработан рентгеновский сканер, который позволил получить изображения поперечного сечения мозга на основе обработки проекционных данных. При обработке проекционных данных применялся алгоритм, базирующийся на преобразовании Радона, которое более полувека после своего открытия не имело никаких практических приложений. Рентгеновскую вычислительную томографию (РВТ) часто называют компьютерной томографией (КТ), подчёркивая то обстоятельство, что без развития электронно–вычислительных машин, которое пришлось на 60-е годы XX века, открытия метода РВТ, вероятнее всего, не состоялось бы. В настоящее время развитие метода КТ происходит по трем основным направлениям. Первое направление связано с расширением областей применения КТ по линии новых объектов исследований. Второе направление определяют новые перспективные источники рентгеновских фотонов с всё более уменьшающейся излучающей областью и детекторы, которые характеризуются высоким пространственным разрешением, а также использующиеся в КТ высокоточные системы перемещения и позиционирования. К третьему направлению следует отнести совершенствование алгоритмического, программного и метрологического обеспечения КТ, которое превращает томографию из метода визуализации внутренней структуры исследуемого объекта в высокоточное измерительное средство. Ожидаемые революционные изменения в рентгеновской медицинской и индустриальной диагностике связаны именно с третьим направлением развития метода КТ и средств, его реализующих. Появление более производительных рентгеновских сканеров в совокупности с более точными алгоритмами оценки структуры объектов контроля делают перспективным метод КТ в области фундаментальных биомедицинских и физиологических исследований. Метод КТ находит многочисленные приложения в биологии, кристаллографии, дендрологии, в исследовании процессов в химии, физике. Основным приложением метода КТ становится неразрушающие методы испытаний различных объектов. В ряде случаев томография применяется как средство тотального контроля, что необходимо для объектов ответственного назначения (атомная промышленность, авиастроение и т. п.). Во многих случаях метод РВТ, характеризующийся достаточно высокой стоимостью, используется на стадии отработки технологий изготовления перспективных изделий, обладающих улучшенными потребительскими свойствами.

В таблице 1, которая заимствована из работы [26], приведена совокупность основных достоинств и недостатков РВТ. Из анализа недостатков, приведённых в таблице 1, можно сделать вывод о том, разработка высокоточных систем КТ продолжает оставаться важнейшей и актуальной задачей.

Таблица 1.

Преимущества и недостатки РВТ

2. Обзор рынка рентгеновской вычислительной томографии

После разработки в начале семидесятых годов прошлого века первого компьютерного томографа медицинского назначения, который назывался EMI сканером, сфера приложений рентгеновской вычислительной томографии увеличилась. Следует заметить, что совершенствование метода и его технических реализаций в виде сканеров КТ различных поколений и различного назначения привело к увеличению спроса на томографы. Увеличение спроса стимулировало и предложение систем на рынке. Основные индустриальные приложения РВТ применительно к неразрушающему контролю промышленных изделий развивались с восьмидесятых годов XX века. Соответствующие системы позволяли с высокой вероятностью обнаруживать поры, трещины, расслоения и другие внутренние дефекты. Недостатком систем томографии XX века являлось получение послойных изображений объектов контроля, что существенно сдерживало развитие и применение метода КТ. Массовое применение систем томографии началось, прежде всего, в электронной промышленности, бурное развитие которой и, соответственно, возросшие требования к качеству контроля изделий и точности сборки, привело к необходимости совершенствования методов и систем КТ. Применение томографии для трехмерной визуализации и измерений параметров пространственных объектовдо недавнего времени сдерживались рядом факторов. К указанным факторам можно отнести: относительно невысокую точность радиометрических сигналов; отсутствие аналогово–цифровых преобразователей высокой разрядности; невысокую точность позиционирования системы источник рентгеновского излучения − система детектирования относительно объекта контроля; незначительное предложение на рынке рентгеновских аппаратов с малым размером излучающей поверхности. Появление на рынке всех необходимых компонентов, панельных и матричных регистраторов рентгеновского излучения и микрофокусных рентгеновских аппаратов обусловило триумфальное шествие трехмерной томографии по миру. Появление компьютеризированных систем высокоточного позиционирования со многими степенями свободы ещё более способствовало развитию трёхмерной томографии. Первая координатно–измерительная машина с датчиком рентгеновского излучения, разработанная Werth Messtechnik, была представлена на рынке в международной выставке “Control” (Штутгарт, Германия) в 2005 году [38]. Указанная система позволила с точностью единиц микрон проконтролировать соблюдение допусков обработки деталей сложной формы, причем контролировались и элементы внутренней сборки изделий. Появление такого класса измерительных машин стимулировало не только производителей сложных изделий, но повысило интерес к инновационным исследованиям научно–исследовательских институтов. В настоящее время число внедренных КТ для линейно–угловых измерений на различных производствах стремительно растёт. Тем не менее, рынок систем рентгеновской вычислительной томографии индустриального назначения по–прежнему считается зарождающимся [10]. Развитие КТ в медицине в значительной степени стимулирует интерес к применению аналогичных систем в промышленности. Следует учесть, что потребности промышленности в системах рентгеновской вычислительной томографии существенно меньше реализованы по сравнению с отраслями медицины.

На рисунке 1 приведены данные [8−11], касающиеся рентгенологического рынка. Из анализа тренда годового дохода (рисунок 1.a) можно сделать вывод об уверенном росте рентгенологического рынка, который не сдержал мировой экономический кризис предыдущих лет. Реальные и ожидаемые темпы роста рынка в области КТ близки к 7 %, что значительно превышает аналогичные показатели для промышленности.

Рисунок 1. Рыночные данные рентгенологического рынка: a - тренд годового дохода; b - доля установленных систем КТ

3. Технология рентгеновской вычислительной томографии

Технология сканирования КТ были рассмотрены в многих работах. В этих работах приводится подробная информация отехнических системах компьютерной томографии и их компонентах. Среди компонентов особое внимание уделяется рентгеновским источникам и детекторам, механическим устройствам точного перемещения, вращения и позиционирования, а также другим аппаратным средствам и алгоритмическому и программному обеспечению анализируемых систем. В предлагаемом разделе приводится актуальный обзор, который сосредоточен на видах систем КТ, на возможностях сканирования и техническом прогрессе в области томографии.

На сегодняшний день на рынке представлено много различных видов систем КТ. Это и небольшие устройства, которые используются для сканирования миниатюрных объектов, и огромные машины, применяемые для исследования внутренней структуры крупногабаритных объектов различного назначения. Некоторые категории систем рентгеновской вычислительной томографии: Клиническая компьютерная томография [16], анализ материалов и промышленная компьютерная томография [14; 23–25], измерительная компьютерная томография [20; 29; 30; 34; 35], роботизированные системы компьютерной томографии [6], сканирующие электронные микроскопы, сопряженные с компьютерными томографами [3] и т. д.

Кратко обсудим основные характеристики компьютерной томографии для промышленного применения: Разрешение и скорость сканирования

Разрешение: На пространственное разрешение компьютерных томографов влияет значительное количество факторов физической и технической природы. К основным факторам следует отнести: размер фокусного пятна источника рентгеновского излучения; исполнение регистратора излучения; величина шага сканирования (перемещение и угол); алгоритмы реконструкции; алгоритмы обработки данных после реконструкции. Размер фокусного пятна особенносильно влияет на качество конечных изображений. Системы с размером фокального пятна источника излучения свыше 0,1 мм, как правило, называют обычной компьютерной томографией или макро КТ. Микрофокусные системы имеют размер пятна излучателя вплоть до одного или нескольких микрометров. У нано фокусных томографов размер излучающей поверхности не превышает в настоящее время 0,4 мкм [17; 20]. Синхронное излучение позволяет достичь разрешения 0,2 мкм, а с применением специальной рентгеновской оптики и разрешения 0,04 мкм [32].

На рисунке 2 приведена диаграмма, связывающая размеры объектов контроля с разрешением систем КТ, для наглядности локальными цветными эллипсами выделены области применения различных систем компьютерной томографии.

Рисунок 2. Соотношения пространственного разрешения и размеров объекта контроля для систем КТ [20]

Скорость сканирования: В отличие от специализированных измерительных машин, измеряющих координаты, в системах КT время сканирования не зависит от количества параметров, которые измеряются на объекте. С другой стороны, время сканирования зависит от времени экспозиции, количества шагов сканирования и обработки данных [23]. Типичный диапазон времени сканирования объекта контроля для промышленных систем КТ с коническим пучком в настоящее время находится в пределах от нескольких минут до одного или нескольких часов [5]. Увеличение скорости сканирования может быть достигнуто повышением интенсивности излучения, применением детекторов с повышенной эффективностью регистрации, внедрением роботизированных систем компьютерной томографии.

4. Технический прогресс

Наблюдается быстрый рост промышленных приложений компьютерной томографии, подкрепляемый совершенствованием метода и средств, его реализующих. Развитие компьютерной томографии происходит по двум основным направления, первое из которых связано с аппаратной реализацией, а второе − с алгоритмическим, метрологическим и программным обеспечением. Ниже приведён краткий обзор основных технологических достижений в рассматриваемой области науки и техники.

4.1 Высокоскоростные сканеры

На основе по истине революционных достижений в области компонентов компьютерной томографии и вычислительной техники несколько производителей промышленных систем КТ недавно предложили решения быстрого сканирования объектов испытаний. Эти решения позволяют сократить время сканирования промышленных деталей до нескольких секунд [1; 2]. Высокая скорость сканирования таких систем обуславливает возможность непрерывного контроля промышленных изделий. Например система КТ для конвейерного контроля литья с типичной скоростью сканирования и проверки поперечного сечения 5−10 мм в секунду, что позволяет осуществлять полное сканирование и анализ небольших ответственных автомобильных деталей за 10 секунд.

Другое передовое решение в области компьютерной томографии связано с возможностью сканирования и получения трехмерных реконструкций движущихся деталей. Объект считается стационарным в течение определенного достаточно короткого периода времени. Результатом томографии является динамический объемный набор данных, то есть изменение объемной модели объекта во времени. Такой метод называется 4D КТ, и может воспроизводиться как фильм.

4.2 Реконструкция областей интереса

В промышленности для ряда объектов необходимо получить реконструкцию с высоким разрешением не всего объекта, а его фрагмента или нескольких фрагментов. Прогресс в области алгоритмического и программного обеспечения привел к возможности решения этой задачи [20; 27; 28]. На рисунке 3 показан пример конкретного сканирования объекта с выделением зоны интереса.

Объект вначале сканируется целиком с грубым разрешением, затем область интереса сканируется при большом увеличении и, соответственно, высоком разрешении. При конечной обработке используется информация о реконструкции для сканирования грубого разрешения [5].

4.3 Расширение поля сканирования

Существует несколько методов для расширения поля сканирования в компьютерной томографии [19; 28]. Такие методы необходимы в случае, если области сканированного объекта расположены вне поля зрения системы источник − регистратор. Эти области можно назвать «мёртвыми зонами». Наличие мёртвых зон приводит к тому, что линейные интегралы, соответствующие этим зонам не проецируются в детектор. В настоящее время существуют методы объединения нескольких первичных изображений в одну проекцию. Это необходимо в случае если тень объекта превышает размер регистратора в направлении, перпендикулярном оси вращения [28]. Если тень объекта больше размера регистратора в направлении параллельном оси вращения, то его удлиненная реконструкция может быть получена путем сшивания нескольких реконструкций [5].

5. Проблемы

На основе анализа научной литературы можно сформулировать ряд общих требований к комплексам КТ, как средствам различных измерений:

• Время цикла измерений, включая подготовку к испытаниям, сканирование, реконструкцию, анализ и интерпретацию результатов, должно быть существенно меньше времени цикла изготовления объекта;
• Высокие экономические показатели процесса измерений;
• Высокая производительность персонала;
• Расширение области применения, то есть некоторая универсальность измерительного средства по отношению к объектам контроля.

К специальным требованиям при рассмотрении вопроса о превращении компьютерной томографии в метод измерений разнообразных параметров объекта испытаний следует отнести:

• Точность линейных и смежных измерений должна быть существенно повышена, разумеется, при этом необходимо учитывать размеры объекта измерений, то есть достигнутые погрешности субмиллиметрового, субмикронного и нано– размерного уровня не в полной мере соответствуют требованиям потребителя, уступая в ряде случаев по точности оптическим и контактным методам измерений [7];
• Необходимость сканирования крупногабаритных объектов из материалов с высокой плотностью, к подобным объектам относятся коробки передач, коленчатые валы, блоки двигателей, судовые двигатели [37];
• Необходимость получения информации о внутренней структуре объектов таможенного контроля, к которым относятся грузовые и легковые автомобили, контейнеры для авиационных, автомобильных и морских перевозок [37];
• Необходимость в разработке эффективных детекторов рентгеновского излучения, отличающихся улучшенным отношением сигнал/шум и позволяющих проводить измерения с высокой производительностью и (или) лучшей точностью;
• Необходимость в разработке источников рентгеновского излучения в диапазоне от 40 кэВ до 10 МэВ с высокой интенсивностью и меньшим фокусным пятном для обеспечения высокой производительности и лучшего геометрического разрешения [13];
• Необходимость в усовершенствовании высокоэффективных и высокоскоростных алгоритмов реконструкции с возможностью выбора параметров, специфичных для измерительной задачи, и позволяющих разрабатывать пространственные модели объектов испытаний;
• Необходимость в разработке методик экономически обоснованного выбора компонентов систем рентгеновской вычислительной томографии: источника и регистратора рентгеновского излучения; системы перемещения и вращения; методов коррекции негативных факторов;
• Необходимость в совершенствовании и разработке методов испытаний объектов, состоящих из различных материалов, с использованием источников рентгеновского излучения с различным энергетическим спектром, со специальными алгоритмами реконструкции иобработки изображений;
• Необходимость разработки устройств и приспособлений в помощь оператору КТ с целью уменьшения времени установки в систему сканирования и уменьшения времени измерения в целом;
• Необходимость в автоматическом определении погрешности измерения [21–23].

Указанные выше задачи не могут быть решены без глубокой и тщательной проработки вопросов, связанных с влиянием негативных факторов физической и технической природы на качество реконструкции.

6. Заключение

Число промышленных приложений рентгеновской вычислительной томографии значительно и продолжает быстро увеличиваться, что подтверждается в работе с помощью многочисленных и различных примеров применения метода в обрабатывающих отраслях промышленности, машиностроении, производстве перспективных материалов, пищевой промышленности. Рассмотрены ограничения метода. Обсуждены проблемы развития томографии как метода визуализации внутренней структуры испытуемых объектов и как одного из наиболее мощных измерительных средств. Подчёркнута необходимость координации крупных национальных и международных корпораций, университетов и научных организаций в направлениях, связанных с совершенствованием инструментария, алгоритмического, метрологического и программного обеспечения рентгеновской вычислительной томографии и адаптацией метода и реализующих его средств в различных приложениях.

Список литературы:

1. Benninger R., Katuch P. Inline CT – the next step in the evolution of industrial CT // Proc. of Int. Conf. on Industrial Computed Tomography – iCT 2012,Wels, Austria, 19–21 September 2012, 2012.
2. Brunke O., Hansen F., Stuke I., Butz F., Jeltsch F. (2012) A New Concept for High-speed Atline and Inlinect for up to 100% Mass Production Process ControlAllowing both, 3D Metrology and Failure Analysis. Proc. of Int. Conf. on IndustrialComputed Tomography – iCT 2012, Wels, Austria, 19–21 September 2012.
3. Bruker SkyScan (2013) Micro-CT Attachment for SEM. [электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://www.skyscan.be/products/SEM_microCT.htm. Accessed 31.05.13.
4. Bruker SkyScan (2013) Micro–CT Attachment for SEM
5. Christoph R., Neumann H.J. (2011) X-ray Tomography in Industrial Metrology,Su¨ ddeutscher Verlag onpact GmbH, Munich, ISBN: 978-3-86236-020-8.
6. Carl Zeiss IMT. – [Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://www.zeiss.de/imt (Дата обращения 7.5.2016).
7. Carmingo S. Accuracy of industrial computed tomography measurements: experimental results from an international comparison //CIRP Annals–Manufacturing Technology. – 2012. – Vol. 61. – P. 491–494.
8. Computed tomography/ Frost & Sullivan. – [Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: www.frost.com/search/catalog–search.do (Дата обращения 18.5.2016).
9. Computed tomography market / NDT.net. – [Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: www.ndt.net/exhibit/list.php3?globalsearch=1&searchmode=AND&Find=computed+tomography+market (Дата обращения 19.5.2016).
10. Computed tomography / MarketResearch.com. – [Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://www.marketresearch.com/search/results.asp?categoryid=0&qtype=2&title=&publisher=Global+Industry+Analysts&query=computed+tomography&lprice=&uprice=&datepub=&regionid=&submit2=Search.(Дата обращения 20.5.2016).
11. Global industrial X–ray inspection systems market. – [Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://www.prweb.com/releases/industrial_x_ray/%20inspection_systems/prweb8849962.htm (Дата обращения 17.5.2016).
12. Goebbels J., Zscherpel Z. Proc. of Int. Symposium on Digital Industrial Radiology and Computed Tomography, 2011. − ISBN: 978–3–940283–34–4.
13. Gruhl T. (2010) Technologie der Mikrofokus–Röntgenröhren: Leistungsgrenzen und erzielte Fortschritte. Fraunhofer IPA Workshop F 207: Hochauflösende Röntgen –Computertomographie–Messtechnik für mikro–mechatronische Systeme.
14. Goebbels J., Zscherpel Z., (Eds.) (2011), Proc. of Int. Symposium on Digital Industrial Radiology and Computed Tomography, 978-3-940283-34-4.
15. Hsieh J. Computed tomography: principles, design, artifacts, and recent advances. – Bellingham, WA: SPIE, 2009.
16. Hsieh J. (2009) Computed Tomography: Principles, Design, Artifacts, and Recent Advances, 2nd ed. Hoboken, John Wiley & Sons.
17. Heinzl C. (2009) Analysis and Visualization of Industrial CT Data, (PhD thesis) Institute of Computer Graphics and Algorithms, Vienna University of Technology,Vienna.
18. Hounsfield G.N. Computerized transverse axial scanning (tomography): Part 1. Description of system // The British journal of radiology. – 1973. – Vol. 46. – № 552. – P. 1016–1022.
19. Hsieh J, Chao E., Thibault J., Grekowicz B, Horst A., McOlash S., Myers T.J. (2004) ANovel Reconstruction Algorithm to Extend the CT Scan Field–of–view.
20. Kastner J. (2011) X-ray Computed Tomography for the Development of Materials and Components, (Habilitation thesis) Vienna University of Technology,Vienna.
21. Krämer P., Weckenmann A (2010) Simulative Abschätzung der Messunsi– cherheit von Messungen mit Röntgen –Computertomographie. in Kastner J., (Ed.) Proceedings – Industrielle Computertomografie, Shaker, Aachen243–248.
22. Krämer P., Weckenmann A (2011) – Modellbasierte simulationsgestützte Messunsicherheitsbestimmung am Beispiel Roentgen–CT. VDI–Berichte2149: 5. VDI–Fachtagung Messunsicherheit 2011 – Messunsicherheit praxisgerecht bestimmen, 08–09 November 2011, Erfurt, 13–22.
23. Kruth J-P., Bartscher M., Carmignato S., Schmitt R., De Chiffre L., Weckenmann A. (2011) Computed Tomography for Dimensional Metrology. CIRP Annals 60(2):821–842.
24. Kalender W.A. (2011) Computed Tomography: Fundamentals, System Technology,Image Quality, Applications, John Wiley & Sons.
25. Kastner J., (Ed.) (2012), Proc. of Int. Conf. on Industrial Computed Tomography –iCT 2012, ISBN: 978-8440-1281-1.
26. Muller P. (2013) Coordinate Metrology by Traceable Computed Tomography,(PhD thesis) Department of Mechanical Engineering, Technical University of Denmark, Lyngby, Denmark.
27. Maass C., Knaup M., Sawall S., Kachelriess M. (2010) ROI–Tomografie (Lokale Tomografie). Proc. of iCT 2010, Industrielle Computertomografie Tagung, 27–29 September 2010, Wels, Austria.
28. Maass N., Stephan J. (2012) Computed Tomography on Large Objects – Theoretical and Practical Solutions with Extended Field of View and ROICT.
29. Neuser E., Brunke O., Suppes A. (2011) High Resolution Industrial CT Systems: Advances and Comparison with Synchrotron–Based CT. Proc. of International Symposium on Digital Industrial Radiology and Computed Tomography, 20–22 June 2011, Berlin, Germany.
30. Oliveira F.B., Porath M.C., Nardelli V.C., Arenhart F.A., Donatelli GD (2013) Investigation and Minimization of Thermal Drift Effects on Tridimensional CT Measurements. Annals of the 11th International Symposium of Measurement Technology and Intelligent Instruments, Aachen, 1–5 July 2013.
31. Roth H. (2006) Aussagekräftige Resultate, QZ Jahrgang 51 (9), Р. 54–56, Carl Hanser Verlag, München.
32. Requena G., Cloetens P., Altendorfer W., Poletti C., Tolnai D., Warchomicka F., et al (2009) Submicrometer Synchrotron Tomography of Multiphase Metals Using Kirkpatrick–Baez Optics. Scripta Materialia 61:760–763.
33. Sun W., Brown S.B., Leach R.K. An Overview of Industrial X–ray Computed Tomography // NPL Report. − 2012. – 64 p.
34. Schardt P., Deuringer J., Freudenberger J., et al (2011) New X–ray Tube Performance in Computed Tomography by Introducing the Rotating Envelope Tube Technology. Medical Physics 31(9):2699–2706.
35. VDI/VDE 2617 Part 13 (2011) Accuracy of Coordinate Measuring Machines – Characteristics and their Testing – Guideline for the Application of DIN EN ISO 10360 for Coordinate Measuring Machines with CT–sensors, VDI, Duesseldorf.
36. Wu T., Moore R.H., Rafferty E.A., Kopans D.B. A comparison of reconstruction algorithms for breast tomosynthesis // Medical physics. – 2004. – Vol. 31. – P. 2636–2647.
37. Wenzel T., Stocker T., Hanke R. (2009) Searching for the Invisible using Fully Automatic X–ray Inspection. Foundry Trade Journal of the Institute of Cast Metals Engineers 183(3666).
38. Werth Messtechnik GmbH. – [Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://www.werth.de/. (Дата обращения 5.5.2016).